java random 随机性和安全性小议

Myth丶恋晨 2022-09-14 14:20 198阅读 0赞

在Java 代码中，生成随机数可以用 Random、SecurityRandom、ThreadLocalRandom和Math.random()。

1.  Random类  
    它也是java.util.Random 工具类。  
    基本算法：linear congruential pseudorandom number generator (LGC) 线性同余法伪随机数生成器缺点：可预测。在注重信息安全的应用中，不要使用 LCG 算法生成随机数，请使用 SecureRandom。  
    Random类默认使用当前系统时钟作为种子。
2.  Math.random() 静态方法  
    当第一次调用 Math.random() 方法时，自动创建了一个伪随机数生成器，实际上用的是 new java.util.Random()。当接下来继续调用 Math.random() 方法时，就会使用这个新的伪随机数生成器。  
    源码如下：

public static double random()  {     
    Random rnd = randomNumberGenerator;   
     if (rnd == null) rnd = initRNG(); // 第一次调用，创建一个伪随机数生成器 return rnd.nextDouble();
     }
     
     private static synchronized Random initRNG()  {   
       Random rnd = randomNumberGenerator;    
       return (rnd == null) ? (randomNumberGenerator = new Random()) : rnd; 
       // 实际上用的是new java.util.Random()
       }

1.  Random() 是线程安全的，内部的Seed 是全局变量，多线程生成随机数时，使用了 cas. Random类默认使用当前系统时钟作为种子。只要种子一样，产生的随机数也一样： 因为种子确定，随机数算法也确定，因此输出是确定的！

3.ThreadLocalRandom  
ThreadLocalRandom 是 Java7 新增的，给多线程并发使用的 ， 速度比Random 要快。 ThreadLocalRandom 是通过 ThreadLocal 改进的用于随机生成的工具类，每个线程单独持有一个，不存在竞争问题。

ThreadLocalRandom threadLocalRandom = ThreadLocalRandom.current();
    for(int i=0;i<10;i++){ 
        System.out.println(threadLocalRandom.nextInt(10));
    }

构造方法是 private ，只能是单例模式，不能够设置 seed

4.SecurityRandom  
SeurityRandom 内置两种随机数算法，NativePrRNG 和 SHA1PRNG 。通过 new 来创建，默认使用 NavivePRNG 算法生成随机数，也可以通过参数修改。也可以通过 getInstance 来初始化对象，有一个参数传递算法名就可以，第二个参数指定算法程序包 。SHA1PRNG 的性能比 NATIVEPRNG 性能好一倍。可以使用 new创建 ，也可以是静态方法getInstance() 获取，可以设置 seed ，如果seed 固定，那么随机的结果也将不变。

1.  如果仅指定算法名称  
    如下所示：

SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");

1.  如果既指定了算法名称又指定了包提供程序  
    如下所示：

SecureRandom random = ecureRandom.getInstance("SHA1PRNG", "SUN");

总结：  
1）随机性  
使用随机数，对安全要求不高的情况,使用Random,  
要求较高使用 SecurityRandom。

1.  线程安全性  
    Random 是线程安全的，用CAS 保持，但是性能不高。  
    SecureRandom 也是线程安全的，但是性能不高。  
    多线程情况下尽量使用 ThreadLocalRandom。

2）关于随机性的讨论  
Instances of java.util.Random are not cryptographically secure. Consider instead using SecureRandom to get a cryptographically secure pseudo-random number generator for use by security-sensitive applications.SecureRandom takes Random Data from your os (they can be interval between keystrokes etc - most os collect these data store them in files - /dev/random and /dev/urandom in case of linux/solaris) and uses that as the seed.  
操作系统收集了一些随机事件，比如鼠标点击，键盘点击等等，SecureRandom 使用这些随机事件作为种子。

1.  Math.random()是令系统随机选取大于等于 0.0 且小于 1.0 的伪随机 double 值，是Java语言常用代码。例如：Number=Math.random()*3+1，设置一个随机1到4的变量；  
    Random 类有含参数和不含参数的构造；其中不含参的构造方法每次都是使用当前系统时间作为种子，而含参构造是使用一个固定值（参数）作为种子（种子也就是Random生成随机数时使用的参数）。每次使用时先创建一个Random对象，也叫随机数生成器，然后调用Random.next*\*()方法获取数值。  
    java.util.Random类中  
    ①随机数是种子经过计算生成的。  
    ②Random类中不含参的构造函数每次都是使用当前时间作为种子，随机性更强；而含参数的构造函数是以参数为种子产生的伪随机数，更有可预见性。  
    ③具有相同种子值的Random对象生成的随机数相同；种子值不同，产生的随机数不再一致。

Math.random()方法中内部调用的方法就是Random类中的nextDouble()方法。  
5. 使用 java.security.egd 选项来执行 java程序。

通过测试可以发现，hotspot需要使用配置项"-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom"才能从urandom读取数据，这里openjdk做了优化，直接从urandom读取数据。SecureRandom在java各种组件中使用广泛，可以可靠的产生随机数。但在大量产生随机数的场景下，性能会较低。这时可以使用  
“-Djava.security.egd=file:/dev/./urandom”  
加快随机数产生过程。例如，可以用下面的例子来启动jar

java ${ JAVA_OPTS} -Djava.security.egd=file:/dev/./urandom -jar /data/server/app.jar